核級(jí)聚丙烯酸分散劑與密封材料相容性研究

王 駿 吳申奧 陳 勇 楊順龍 鄧清泉 劉佳露 陳銀強(qiáng) 侯 濤

（1. 福建福清核電有限公司，福建 福清 350318；2. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223；3. 三門(mén)核電有限公司，臺(tái)州 三門(mén) 317112）

0 引言

壓水堆核電站二回路腐蝕產(chǎn)物隨給水遷移到蒸汽發(fā)生器（SG）中，大部分會(huì)沉積在支撐板上部、傳熱管外表面以及縫隙處。SG內(nèi)部的沉積物可能會(huì)對(duì)其傳熱性能和完整性產(chǎn)生影響，因此二次側(cè)腐蝕產(chǎn)物的控制是二回路水化學(xué)控制工作的重點(diǎn)[1]。近年來(lái)，聚丙烯酸（PAA）分散劑積污控制技術(shù)受到國(guó)內(nèi)核電行業(yè)關(guān)注，即添加PAA分散劑至二回路給水中，減緩水中腐蝕產(chǎn)物顆粒的沉降，通過(guò)SG排污直接排出[2]。目前，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出核級(jí)PAA分散劑產(chǎn)品。本文開(kāi)展了核級(jí)PAA分散劑與核電廠二回路典型密封材料的相容性研究，以期為PAA分散劑在核電二回路中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)和提供相應(yīng)的理論支撐。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本次試驗(yàn)選擇三種類(lèi)型的典型核電廠二回路密封材料，橡膠材料（丁腈橡膠、氯丁橡膠和三元乙丙橡膠）、聚四氟乙烯材料和石墨材料。使用的聚丙烯酸分散劑（Mw～120000）為自主研發(fā)合成，其他化學(xué)藥品均為分析純。試樣尺寸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528-2009，用啞鈴切刀在同一橡膠板上沿垂直紋理方向切出1型啞鈴橡膠試樣。

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備如下：恒溫水浴鍋（寧波群安）、拉伸試驗(yàn)機(jī)（東莞科?。?、邵氏硬度計(jì)LX-A（東莞三量）、邵氏硬度計(jì)LX-D（廣州蘭泰）、分析天平（日本島津）、光學(xué)顯微鏡（卡爾蔡司）、雷磁PHBJ-260 pH計(jì)（上海儀電）、高溫高壓釜（大連第四儀器廠）、超純水機(jī)（武漢品冠）。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1690-2010進(jìn)行，將材料用除鹽水洗凈，并在30℃條件下烘干1h，用濾紙包裹備用。對(duì)干燥后的材料進(jìn)行外表面宏觀相機(jī)拍照記錄，然后稱(chēng)重，質(zhì)量精確到0.0001g。首先將干燥后的樣品懸掛置于容器內(nèi)，向容器內(nèi)注入AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)溶液。將水浴鍋升至規(guī)定溫度后開(kāi)始計(jì)時(shí)，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后停止試驗(yàn)。樣品完成浸泡試驗(yàn)后，用除鹽水洗凈、晾干，在烘箱35℃干燥一小時(shí)后稱(chēng)重。硬度測(cè)試時(shí)每個(gè)樣品取8～10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，最后取均值。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件參數(shù)

評(píng)價(jià)PAA與非金屬密封材料相容性評(píng)價(jià)，目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此情況，主要依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1690-2010，通過(guò)比較添加100mg/L PAA與空白試樣的微觀形貌、重量、壓入硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率等指標(biāo)的變化，評(píng)價(jià)PAA與橡膠密封材料的相容性，詳細(xì)指標(biāo)和方法詳見(jiàn)表2所示。同時(shí)，參考一些同為有機(jī)物的潤(rùn)滑油、液壓油與密封材料的相容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[3-5]，如GB/T 14832-2008《標(biāo)準(zhǔn)彈性體材料與液壓液體的相容性試驗(yàn)》規(guī)定體積變化率在-4%～+15%、硬度變化率在-8%～+8%、最大拉伸強(qiáng)度變化及最大拉斷伸長(zhǎng)率變化小于20%則符合標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)價(jià)材料相容性。試樣的重量、壓入硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率等指標(biāo)的變化率按照下式計(jì)算：

表2 非金屬密封材料測(cè)試指標(biāo)和測(cè)定方法

質(zhì)量變化率（%）=（浸泡后質(zhì)量-浸泡前質(zhì)量）/浸泡前質(zhì)量

硬度變化率（%）=（試驗(yàn)組硬度-空白組平均硬度）/空白組平均硬度

拉伸強(qiáng)度變化率（%）=（試驗(yàn)組拉伸強(qiáng)度-空白組平均拉伸強(qiáng)度）/空白組平均拉伸強(qiáng)度

拉斷伸長(zhǎng)率變化率（%）=（試驗(yàn)組拉斷伸長(zhǎng)率-空白組拉斷伸長(zhǎng)率）/空白組拉斷伸長(zhǎng)率

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 橡膠材料相容性試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 宏觀形貌評(píng)估

橡膠材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境中浸泡后的宏觀形貌如圖1所示，從宏觀來(lái)看，浸泡的試樣無(wú)明顯的變形或腐蝕，也未見(jiàn)裂紋、凹痕或鼓泡等現(xiàn)象，添加或不添加PAA浸泡后的試樣外觀沒(méi)有明顯差異。

圖1 三種橡膠材料浸泡后的宏觀形貌

3.1.2 微觀形貌評(píng)估

三種橡膠材料在AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境下，添加及不添加PAA溶液中浸泡后的微觀形貌如圖2所示，未見(jiàn)裂紋或凹痕等現(xiàn)象，添加或不添加PAA浸泡后試樣微觀形貌基本一致。

圖2 橡膠浸泡后200倍微觀形貌

3.1.3 性能變化評(píng)估

橡膠材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境中浸泡后的性能變化如表3所示，可以看出，橡膠材料在60℃、AVT水環(huán)境條件下，添加100ppm PAA浸泡后，與不添加PAA相比，材料的重量、硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率的差異很小，其中重量前后變化在1.44%～2.25%，硬度差異在-0.97%～1.67%，拉伸強(qiáng)度差異在-2.34%～1.68%，拉斷伸長(zhǎng)率差異在-2.12%～2.94%。說(shuō)明此條件下添加PAA對(duì)這幾種橡膠材料無(wú)明顯的腐蝕和溶解作用，對(duì)材料相容性無(wú)明顯影響。

表3 橡膠材料浸泡前后性能變化

3.2 聚四氟乙烯相容性試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 宏觀形貌評(píng)估

聚四氟乙烯材料在浸泡試驗(yàn)后的宏觀形貌如圖3所示，浸泡的試樣無(wú)明顯的變形、腐蝕或溶解，也未見(jiàn)破損、裂紋、凹坑或鼓泡等現(xiàn)象。

圖3 聚四氟乙烯材料浸泡前后的宏觀形貌

3.2.2 微觀形貌評(píng)估

聚四氟乙烯材料在AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境下，添加及不添加PAA溶液中浸泡后的微觀形貌如圖4所示，未見(jiàn)裂紋或凹痕等現(xiàn)象，添加或不添加PAA浸泡后試樣微觀形貌基本一致，沒(méi)有明顯差異。

圖4 聚四氟乙烯材料浸泡前后的微觀形貌（1-100ppm PAA、2- 0ppm PAA）

3.2.3 性能變化評(píng)估

聚四氟乙烯材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境中浸泡后的性能變化如表4所示，可以看出，材料在浸泡試驗(yàn)后重量變化較小，變化率在0.01%以內(nèi)；與不添加PAA浸泡相比硬度差異也較小，在-0.74%～3.41%。說(shuō)明此條件下添加PAA對(duì)聚四氟乙烯材料無(wú)明顯的腐蝕和溶解作用，對(duì)材料相容性無(wú)明顯影響。

表4 聚四氟乙烯材料浸泡前后性能變化

3.3 石墨材料相容性試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 宏觀形貌評(píng)估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、除鹽水中浸泡后的宏觀形貌如圖5所示，從宏觀來(lái)看，浸泡的試樣無(wú)明顯的變形、腐蝕或溶解，也未見(jiàn)破損、裂紋、或鼓泡等現(xiàn)象，PAA或除鹽水浸泡后的試樣外觀沒(méi)有明顯差異。

圖5 石墨材料浸泡后的宏觀形貌（1,2- 0ppm PAA、3,4- 100ppm PAA）

3.3.2 微觀形貌評(píng)估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、除鹽水中浸泡后的微觀形貌如圖6所示?？梢钥闯?，石墨材料在PAA溶液和除鹽水浸泡后均表面完整，未見(jiàn)裂紋、點(diǎn)坑等現(xiàn)象，兩者放大后觀察到的形貌基本一致。可見(jiàn)PAA對(duì)石墨材料的微觀形貌沒(méi)有影響。

圖6 石墨材料PAA浸泡后的微觀形貌（1 -100ppm PAA、2- 0ppm PAA）

3.3.3 性能變化評(píng)估

石墨材料在100ppm的PAA溶液、AVT水處理試驗(yàn)介質(zhì)環(huán)境中浸泡后的性能變化如表5所示，可以看出，材料在浸泡試驗(yàn)后重量變化較小，變化率最大為-1.55%；與不添加PAA浸泡相比硬度差異也較小，在0.68%～0.81%。說(shuō)明此條件下添加PAA對(duì)聚四氟乙烯材料無(wú)明顯的腐蝕和溶解作用，對(duì)材料相容性無(wú)明顯影響。

表5 石墨材料浸泡前后重量變化

4 結(jié)語(yǔ)

為研究PAA對(duì)核電二回路系統(tǒng)主要非金屬密封材料環(huán)境相容性的影響，針對(duì)五種主要的密封材料開(kāi)展了AVT堿性環(huán)境下添加PAA浸泡試驗(yàn)和性能檢測(cè)，結(jié)果表明：ppm級(jí)PAA添加對(duì)丁腈橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、石墨、聚四氟乙烯等5種材料的質(zhì)量、硬度、表面形貌或拉伸強(qiáng)度等無(wú)明顯影響，即PAA添加對(duì)這些材料環(huán)境相容性無(wú)明顯影響。